机械设计的一般步骤是什么?

十二音阶囤 · 发表于 2024-3-2 07:33:02

机械设计的一般步骤是什么?

机械设计是一个创造性的工作过程，同时也是一份尽可能多地利用已有成功经验的工作。只有很好地把继承和创新结合起来，才能设计出高质量的产品，作为产品的设计，要求对产品的工作原理、功能、结构、零部件设计，甚至加工制造和装配方法都确定下来。因此，不同的设计者可能有不同的设计方法和设计步骤。但是，人们根据设计的长期经验，将机械设计分为五大步骤：动向预测、方案设计、技术设计、施工设计、试生产。
（1）动向预测。
根据实际需要提出所要设计的新产品后，动向预测只是一个计划和预备阶段，此时所要设计的产品仅是一个模糊的概念。在这阶段中，应对所设计的产品作全面的调查研究和分析。
一件机械产品的发展过程，与任何有生命的个体一样，假使希望所生产的产品，能够不断地推广，不断地更新，则在产品发展过程中，就需要考虑发展哪种产品，何时投产等问题，而且必须慎重考虑，周密策划，严格执行，使其能在万无一失的情况下投入市场，并在上市后仍能不断地获取购买者的反映，作为将来改善产品的参考。即在产品生产前，必须对产品的功能、规格、用途、销售市场，及竞争者产品的特性，作系统的调查和分析。从市场的观点来看，产品必须具备比它的材料及加工成本更高的交换价值，否则它将无法在市场上立足。因此在设计前，必须进行情报调研和动向预测，如图4-16所示。在进行非完全新型产品的设计时，调研和预测一般选择一些知名品牌的同类产品作为调研对象，调研项目包括产品功能、市场销售、顾客购买动机等方面。经过产品调研后，明确了本设计产品的优点和不足，然后清点外购件和原材料，收集各零部件的工时定额、材料消耗定额等，计算出各零、部件的目前成本，并初步摸清产品的实际成本。预测改进后的产品投入市场后的竞争能力，做出决策，并写出技术建议。根据技术建议的分析来确定合理地制定产品文件的技术论证和技术经济论证，最后签发设计任务书。在设计任务书中，要说明设计对象的用途和特点，从而规定生产率、可靠性和寿命、重量、外廓尺寸、驱动能量、成本等指标。

图4-16　设计调查（2）方案设计。
方案设计阶段对设计的成败起关键作用。这个阶段充分地体现出设计工作有多个方案的特点。根据设计任务书提出的对所设计机器的工作要求，首先对能满足工作要求的多种设计原理方案加以分析比较。由于任何工作原理都必须通过一定的运动形式来实现，所以这一步骤也是确定设计所需运动的方案。确定设计原理方案时，可把设计对象当作完整的系统，并将它分成具有各种分功能的机构及零件为子系统和元素，进行系统分析，最后选择最优方案，如图4-17所示。
在这一阶段，要按选择最优方案所需的技术——经济论证来制定产品总体和主要部件方案，同时要确定关于工作原理、可靠性和强度的问题范围，这些问题必须加以研究，有些要得到实验验证。对设计目标影响不大的结构要素可以作近似计算。如果现在有接近于设计对象的实际样机，就可以不经过计算而拟定各个结构要素。但在方案设计中，为了进行与选择最优设计方案有关的技术—经济计算，必须充分精确地估计对最终结果有影响的参数。

图4-17　设计师在进行方案设计在确定设计原理方案时，还必须体现机械工业的技术发展政策。根据机械的实际工作情况，尽量采用微电子技术和新型材料，设计机电液一体化产品。
（3）技术设计。
在技术设计中，要拟定设计对象的总体和部件，具体确定零件的结构。对所设计的机械产品提出的要求是：制造和维护经济、操纵方便而安全、可靠性高和使用寿命长。为了能达到这些要求，零件应满足一些准则，其中最重要的准则是：强度、刚度、抗震性、耐磨性、耐热性、工艺性等。标准化对所设计产品的制造成本和运行经济有很大意义。实现了标准化，可使机械产品的成本有所降低，设计周期有所缩短，可靠性则有所提高。
设计人员按照他所绘制的初步设计总图，如图4-18所示，简单计算或估算机械的各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等，如发现原来所选的结构不可行或不实际，则要对结构进行调整或修改，此外还要考虑有没有发生过热、过度磨损及过早发生疲劳破坏的危险部位，并采取措施解决。
在技术设计阶段，设想中的产品初步成形了，设计人员通过初步设计总图的绘制，会发现各部分的形状、尺寸和比例等有许多矛盾，当需要加强或改进某一方面时，可能会削弱或恶化另一方面，此时必须权衡取舍，在各方面保持平衡以达到最佳综合效果。这时，设计人员的经验起着重要作用。
在修改初步设计的总图的过程中，还需对初步设计进行技术—经济分析，一般原则是：先将那些结构复杂、质量大、尺寸大、材料贵、性能差、技术水平低的，以及批量大、工艺复杂、原材料消耗高、成品率低的那些零件进行分析，并据此修改设计，以期得到技术—经济指标高的初步设计总图。

图4-18　产品工程图初步设计总图经过反复修改满意后，按比例绘制，凡可能发生干扰碰撞之处要特别注意，必须有足够的各方向视图和剖面，以暴露各方面可能发生的矛盾等。初步设计总图完成后，初估它的制造成本（供审查和报价），进行初步评审。
从初步设计总图到技术设计装配图，需注意：
①尽量采用标准件、通用件或过去已经设计制造的零部件，以节省生产费用。
②确定毛坯材料，以及毛坯是由外厂供应还是本厂生产。
③改进加工和安装工艺，例如，采用成组加工工艺和平行装配操作等以降低制造成本，在设计中使采用先进工艺成为可能。
④按照造型设计原则改进结构。
⑤考虑安全设计要求。
⑥进行技术—经济分析。最后，综合上述工作，调整零件尺寸比例，画出技术设计总装图，对于高速运动机械，还需进行系统的动力学验算，内容包括整个结构的固有频率和振型，确定结构承受的外载荷，计算在动载荷作用下的动应力，并采取措施避免共振和减少动应力等。
按照初步评审意见进行修改得到技术设计总装配图，画出每一零件的结构。由于此时零件的尺寸已知，便可较准确地计算出零件承受的载荷，再用零件设计专用程序，计算出零件受载后的应力分布状况，找出其危险点，进行结构改进以降低危险点的峰值应力或对零件的某几个主要尺寸作优化设计。再考虑选用材料、加工和装配要求，确定零件的尺寸，对零件的危险点求出在工作载荷谱下的应力响应，计算疲劳强度和寿命，按寿命要求再修改零件设计。完成润滑设计和电气设计（驱动和控制）等，最后画出技术设计总装配图，进行第二次评审。
第二次评审仍应请各方面的专家和使用人员代表共同审核，若此时改变设计，其代价将是很高的，但是若有必须改变之处则一定要改。避免重新绘图的最好方法，是在设计过程中与使用人员、制造工艺人员和其他有关专家多商量，某些重要的和批量生产的机械，有时要制造一个模型。第二次评审通过后，正式画出技术设计总体装配图和部件图（分装配图）。
（4）施工设计。
根据技术设计总体装配图进行零部件设计。绘出零件图，无遗漏地定出零件上的每一个尺寸，定出公差配合，凡是有标准的地方在绘图时都必须符合国家标准。再按实际的零件尺寸画出施工设计总体装配图。接着，开始校对图样。首先校对零件图的尺寸，检查每张图的尺寸有无遗漏或矛盾，尺寸标注有无错误，每张图与它左邻右舍的图有无矛盾，对照总图检查发生干涉或碰撞的可能性等。再对图样进行工艺性审核，要有熟练的工艺人员将每张图都看过，检查每一个零件是否便于制造，易于安装，对难于或甚至无法加工之处进行修改。一部机器的零件、尺寸、配合等都有标准，设计人员虽然也熟悉标准，但最好要有专人进行标准审核。此外，还需对图样进行润滑审核，研究润滑方法和润滑剂品种等。最后，编出零件清单及说明书等各种技术文件。
（5）试生产。
根据施工设计的图样和各种技术文件试制样机，对样机进行功能试验，并对各项费用进行成本核算，向前反馈，改进设计。对样机进行审批手续，再进行小批量试生产，改进后正式投入小批量生产。
小批量生产的产品投放市场后，如用户对产品的“试售率”和“再售率”都很高，表明产品受用户欢迎，可以批准大批量投产；如“试售率”低，“再售率”高，表明用户对产品不了解，应加强广告宣传，然后再大批量投产；如“试售率”高，“再售率”低，或两者都低，表明产品质量存在问题，应修改设计，提高质量，降低成本。
当产品可以批量生产时，还要研究适合批量生产的工艺并按照此工艺进行批量试生产。批量试生产中，可能发现在工艺性审核中考虑欠周到之处，使批量生产出现困难，难以稳定地保证质量，以及消耗大、成本高等，而且不能单是通过改进加工工艺来解决问题，这就需要对设计作某些相应的修改，以提高机械设计的工艺性，然后才可以开始正式批量或大量生产。当大批产品投入使用后，还要及时从用户那里收集使用和维护的信息，如有必要则对设计作改进修改。